多轴液压助力转向系统匹配设计研究

王云超 张小江 周 梅 郑东强

1.集美大学，厦门，361021 2.吉林大学，长春，130022

多轴液压助力转向系统匹配设计研究

王云超1张小江2周 梅1郑东强1

1.集美大学，厦门，361021 2.吉林大学，长春，130022

多轴液压助力转向系统普遍存在转向杆系变形和断裂的问题。基于轮胎原地转向阻力矩的半经验公式，利用ADAMS和AMESim建立了某多轴转向车辆的机液联合仿真模型。在验证模型正确性的基础上，以转向杆系受力最小为优化目标，进行了转向油缸和轮胎原地转向阻力矩的匹配优化。研究发现，转向油缸与轮胎原地转向阻力矩的匹配关系对转向杆系的受力影响非常明显，优化后转向杆系受力显著减小。

多轴转向;匹配设计;液压助力转向;轮胎原地转向阻力矩

0 引言

目前，关于多轴转向系统的研究主要集中在转向机构的优化方面，概括起来有两种:一种是基于虚拟样机技术的优化［1-2］;一种采用建立数学模型进行优化［3-4］。这些研究仅仅局限于运动关系的优化，关于转向杆系动力学分析的研究很少。

多轴转向技术主要应用于需要小范围内转移场地的大型车辆，原地静止转向是其主要工况之一。多轴转向车辆的工作场地多为崎岖的工作场地，各转向轮的转向阻力矩大小不同，很容易造成个别杆件受力过大而发生弯曲或扭断［5-6］。

由于轮胎的原地转向特性与液压转向油缸输出力的匹配性是影响转向杆系受力的重要因素，而轮胎的原地转向特性是转向系统匹配设计的基础，为此，很多国内外学者对轮胎原地转向特性［5］、低速轮胎特性对转向控制的影响［7］、轮胎设计参数对侧向力学性能的影响［8］、轮胎与路面的接触力学等进行了研究［9］。杨勇等［10］开发了针对多轴起重机的联合仿真平台，在整车操纵性能分析方面进行了重点研究。但多轴液压助力转向系统的匹配研究尚未检索到相关报道。

本文在重型多轴转向车辆轮胎原地转向阻力矩研究的基础上［5］，从轮胎转向阻力矩与转向液压系统匹配性优化的角度出发，以某九轴转向车辆为研究对象，利用虚拟样机联合仿真技术，以转向杆系受力最小为目标，通过优化各轴转向油缸的缸径和杆径，达到转向杆系受力最小的目的，实现液压助力转向系统匹配优化。

1 轮胎原地静止转向阻力矩的确定

为了准确掌握轮胎原地转向特性，针对样车轮胎进行了专项测试。通过对试验数据的分析处理，提出轮胎转向阻力矩经验公式的一般形式［5］:

式中，F为垂直轮荷;α为车轮转角;p为轮胎气压;μ为路面摩擦因数;a、b为待拟合参数;C、E分别为决定曲线刚度和形状的参数;α0为决定曲线初始值的参数。

图1所示为几种载荷工况下轮胎转向阻力矩的测试结果和拟合结果。其中，Tk为测试结果;下标k为轮胎载荷，t;Tkn为由式(1)获得的拟合结果。由图1可知，拟合所得的半经验公式能够以较高的精度反映轮胎的原地转向阻力矩。从图1可以看出，车轮转角小于15°时，车轮转角对转向阻力矩的影响非常明显，超过15°后，车轮转角的影响逐渐减小。

图1 左转的测试结果和拟合结果

2 整车虚拟样机模型

利用虚拟样机技术，建立了图2所示的样车虚拟样机模型，该车前五轴采用液压助力转向，转向油缸安装在转向梯形臂和车轴之间，左右对称布置。后四轴采用电液控制转向。

图2 九轴转向车辆虚拟样机模型

2.1 液压助力转向系统建模

为了保证液压转向的可靠，液压助力系统采用双回路，利用AMESim建立了前五轴液压助力转向系统的液压部分模型，如图3所示。液压系统和机械系统通过接口模块传递油缸长度、速度及油缸受力等信息，实现机液联合仿真。

2.2 液压系统验证

为了验证液压系统的正确性，对液压系统的部分元件进行了流量和压力的对比分析，如图4、图5所示。图4、图5中，泵与转向器的输出、输入流量及压力的试验结果和仿真结果基本一致，证明所建模型是正确的。

图3 液压助力转向系统模型

图4 流量的试验结果与仿真结果

3 转向油缸匹配试验及模型验证

原车前五轴转向油缸的尺寸为φ60mm×32mm，为了验证转向油缸对转向杆系受力的影响，将第4轴、第5轴转向油缸尺寸改为φ50mm×28mm，进行对比试验。

图5 系统压力测试和仿真数据对比

3.1 转向系统试验和仿真分析

以原地转向工况为例，对仿真模型和试验结果进行对比分析。根据样车测试数据，对整车模型中的路面摩擦因数、轴荷、转向盘转角等参数进行了修正，并重新进行仿真。测试和仿真结果如表1所示，曲线如图6所示。

表1 匹配设计前后测试和仿真结果对比

由于试验过程中，第8杆应变片的连接线断掉，因此表1没有给出该杆件的测试结果。从原始设计的测试结果和匹配设计的测试结果的符号可以看出(杆件受拉为正，受压为负)，更换油缸前后转向杆系受力传递方向发生了明显的变化。从匹配设计测试结果和仿真结果对比看，两者基本一致，说明虚拟样机模型能够正确预测转向系统的受力。

图6 转向杆系受力对比

4 转向系统匹配优化

4.1 转向系统匹配优化目标

多轴液压助力转向系统的匹配设计的目标是保证转向过程中转向杆系受力最小，转向杆系受力的主要影响因素是转向油缸输出力与轮胎转向阻力矩的匹配关系。因此，以各轴转向摇臂输出力的绝对值之和最小为目标函数:

其中，Fg为转向摇臂等效输出合力;Fi为第i轴转向摇臂输出力，i=1，2，3;ζi为第 i轴转向摇臂输出力的加权因子，认为其同等重要，取ζi=1。

4.2 优化变量

由于转向油缸的缸径和杆径是影响目标函数的主要因素，因此，以各转向油缸的缸径和杆径为优化变量。各轴转向油缸的缸径变化范围为40～80mm，杆径变化范围为10～40mm。

4.3 优化分析

优化算法是进行优化设计的重要工作。基于ADAMS软件，采用软件OPTDES_SQP优化算法进行优化分析。圆整处理后的优化结果如图7所示。优化后，转向油缸的尺寸如表2所示。

图7 优化后的杆件受力

表2 优化后转向油缸尺寸 mm

从图7所示的转向杆系受力可以看出，优化后，转向杆系的受力明显减小。另外，杆件受力减小后，部分杆件的受力发生较大波动，说明在转向过程中，这些杆件出现了受力方向的改变。

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Research on Matching Design of Multi - axle Hydraulic Assisted Steering System

WangYunchao1ZhangXiaojiang2ZhouMei1ZhengDongqiang1
1.JimeiUniversity，Xiamen，Fujian，361021 2.JilinUniversity，Changchun，130022

Steering linkage deformation or crack was prevalent in multi - axle hydraulic assisted steeringsystem. Based on a semi - empirical formula of tire static steering resistance moment，a mechanism - hydraulicco - simulation model of a multi - axle steering vehicle was built by ADAMS and AMESim software and thecorrectness was verified by experimental tests. Taking the minimum force of steering linkage as optimizationobjective， the matching relationship between hydraulic steering system and tire steering resistance moment wasoptimized. The research shows that the matching relationship has obvious effect on the steering linkage force.The steering linkage force is reduced significantly by matching optimization.

multi - axle steering; matching design; hydraulic assisted steering; tire static steeringresistance moment

U463.42

10.3969/j.issn.1004-132X.2013.10.025

2012—02—14

国家自然科学基金资助项目(51105171);福建省青年创新基金资助项目(2010J05118);集美大学优秀青年骨干教师基金资助项目(2011B001)

(编辑 张 洋)

王云超，男，1976年生。集美大学机械工程学院副教授。主要研究方向为多轴转向技术、工程机械数字化分析。出版著作3部，发表论文30篇。张小江，男，1979年生。吉林大学机械科学与工程学院讲师。周 梅，女，1970年生。集美大学机械工程学院讲师。郑东强，男，1978年生。集美大学机械工程学院讲师。